一種砂石拌合的新型工藝研究

摘 要：依托水利工程項目進行就地取材可以降低建設成本，本文以水庫砂石拌合問題為研究對象，進行了具體工藝流程設計和試驗驗證。首先，分別建立3個計算模型，用于分析砂石拌合過程中的拌合料總需求量、拌合料的單位時間產出量以及拌合裝置的最大容量。其次，設計砂石拌合流程，多次破碎和三次冷卻是本工藝流程的重要特點。最后，對混合料強度和滲透系數進行性能測試，結果表明，采用本文工藝后，砂石拌合料的性能更好。

關鍵詞：山西垣曲；抽水蓄能電站；水庫砂拌系統

中圖分類號：TV 62" " " 文獻標志碼：A

在水利水電工程項目的施工建設過程中，砂石拌合系統的開發與建設具有十分重要的作用[1]。砂石拌合系統本身規模大、復雜程度高，開發和建設必須根據水利水電工程項目的實際情況，對工程項目的地理位置、空間布局、地質情況和水文特征進行充分考慮[2]。同時，在砂石拌合系統建設過程中也必須采用先進的技術，選擇配置工作效率高、性能可靠的設備。考慮工作環境影響和需要反復多次使用，涉及設備還必須配套有效的保養措施和維修手段[3]。在砂石拌合系統建設施工前，必須充分考慮整套砂石拌合的工藝流程，而系統中各種設備、硬件和軟件的配置都應該為這套流程服務。可見，砂石拌合工藝是砂石拌合系統建設的核心，也是砂石拌合系統施工的基礎。本文以山西某抽水蓄能電站下水庫砂拌系統建設為具體研究對象，針對砂石拌合問題提出新的工藝，并通過試驗加以驗證。

1 水庫砂石拌合模型和參數計算

抽水蓄能電站是重要的水利工程項目，包括5個重要組成部分，即重力大壩段、船閘、泄洪閘、發電廠房以及升壓開關站。在水利水電工程項目建設過程中，要充分利用當地的資源條件，通過合理的砂石拌合獲得建設所需原材料。

一個水利工程項目的砂石拌合料總需求量與所在地的毛料單位時間開采強度有關，該計算模型如公式（1）所示。

Qmh=k1Qh （1）

式中：Qmh為一個水利工程項目中單位時間的毛料開采量，t/h；k1為從毛料開采量到最終開采量的損耗系數，是一個無量綱單位；Qh為一個水利工程項目中單位時間的最終開采量，t/h。

根據公式（1），如果一個水利工程項目中單位時間的毛料開采量為80.5t/h，毛料開采量到最終開采量的損耗系數為1.15，就可以計算出該水利工程項目中單位時間的最終開采量為69.56t/h。

一個水利工程項目的砂石拌合料的單位時間產出量還可以根據如公式（2）所示的模型計算。

（2）

式中：Q為一個水利工程項目的砂石拌合料的單位時間產出量；K為單位時間生產不均勻度系數；Qm為一個水利工程項目的砂石拌合料的月度產出量；d為砂石拌合料生產的月度有效總天數；h為砂石拌合料生產的每天有效總工作時數。

根據公式（2），設定單位時間生產不均勻度系數為1.5，水利工程項目的砂石拌合料的月度產出量為12000t/h，砂石拌合料生產的月度有效總天數為25d，砂石拌合料生產的每天有效總工作時數為20h，就可以計算出這個水利工程項目的砂石拌合料的單位時間產出量為36t/h。

在砂石拌合過程中，還要考慮砂石拌合裝置如罐體的最大容量，其計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：w為砂石拌合裝置的最大容量；n為砂石拌合料的儲備天數；Q為水利工程項目月度所需的砂石拌合料最大量；q為砂石混合料的單位用水量；m為月度有效工作天數。

根據公式（3），設定砂石拌合料的儲備天數為7d，水利工程項目月度所需砂石拌合料最大量為9550t/h，砂石混合料的單位用水量為0.21t，度有效工作天數為25d，則砂石拌合裝置的最大容量為529t。

2 水庫砂石拌合的新工藝設計

水庫砂石拌合的工藝設計流程比較復雜，本文將復雜任務進行拆解，將該流程劃分為2個子部分，分別加以設計。第一個子部分是砂石破碎的工藝流程設計，第二個部分是砂石拌合的工藝流程設計。其中，砂石破碎工藝流程設計如圖1所示。

砂石破碎的處理應放置在砂石拌合之前，主要目的是將體積較大的砂石進行破碎處理，以便于在骨料中進行拌合處理。在這一工藝流程中，需要采用特殊的工具進行大塊料篩分，可以采用比較常見的篦條篩。根據經驗，直徑在300mm以上的砂石都屬于大塊料，篦條篩的篩分處理無法將其透篩。為了充分利用砂石原料，在篩分過程中，過篩的進入下一步處理，沒有過篩被留存的大塊料進行破碎處理，再用篦條篩進行篩分。經過破碎且符合小塊料標準的材料，連同之前過篩的材料一同送入毛料堆場。毛料堆場的小塊料送入顎式破碎機進行二次破碎處理，并再次篩選。在二次過篩處理中，直徑在80mm以上的再次破碎，直徑＜80mm的砂石送入粗骨料車間進行粗碎處理。粗碎處理后進行3次過篩處理，直徑在40mm以上的再次破碎，直徑＜40mm的砂石送入圓錐破碎機執行中碎處理。中碎處理后，直徑在5mm以上的再次破碎，直徑＜5mm的砂石送入立軸破碎機執行細碎處理，形成細骨料。

經過上述多次破碎處理，水庫砂石原料成為拌合料所需的粗骨料和細骨料，再進行拌合處理，形成混凝土等水壩建筑所需的材料。拌合工藝流程的設計結果如圖2所示。

經過多道冷卻處理工藝，可確保拌合料的有效凝結。如圖2所示，將砂石破碎后得到的粗骨料和細骨料送入拌合裝置中，再將混凝土制備所需粉料也送入拌合裝置。如果此時的骨料或粉料溫度較高，需要通過風冷進行第一次冷卻處理。為了確保拌合過程中的溫度不至于過高，采用螺旋傳送機向拌合裝置外圍傳送片冰，對拌合裝置整體進行冰冷降溫，從而實現對其內的混合料進行冰冷處理。在進一步的攪拌過程中注入水和調節劑，并對混合料進行第三次冷處理，即水冷處理，再次均勻攪拌后形成拌合料，并出料。

3 水庫砂石拌合的新工藝性能評價

在上述研究工作中，針對水庫砂石拌合成料的問題，本文分別給出了參數模型和計算樣例，進行了砂石破碎的工藝流程設計和砂石拌合的工藝流程設計。下文將通過試驗對提出的新工藝性能進行評價。試驗裝置如圖3所示。

該砂石料拌合裝置采用雙電機加載旋轉拌合的方式，可使拌合料出料更均勻。拌合裝置是一個長方形箱體結構，具備足夠的長度和高度，可滿足填料空間需求。為了更好地取得拌合過程中的減震效果，配置了一定厚度的底座。拌合裝置左側配置了進水口，右側配置了出水口和細粒混合料出口，底部配置了排水口。砂石料在拌合裝置內接受2個電機的旋轉攪拌作用，最終完成骨料和粉料的拌合。

第一組試驗測試在本文拌合工藝下，混合料的強度提升，將傳統拌合工藝作為參照。2種工藝下混合料的強度提升比較如圖4所示。

從圖4中2條曲線的變化情況來看，隨著拌合時間增加，2種工藝下混合料的拌合強度都在不斷增加，但提升幅度逐漸變緩、趨于飽和。經過100min拌合，傳統工藝拌合下混合料的強度提升了27%，本文工藝拌合下混合料的強度提升了29%。從整個拌合過程來看，本文工藝拌合下混合料的強度提升幅度一直在傳統工藝上，從而證明了本文砂石拌合工藝的有效性。

第二組試驗測試在本文拌合工藝下，混合料滲透系數下降的幅度。仍然選擇傳統拌合工藝為參照，2種工藝下混合料的滲透系數下降幅度比較如圖5所示。

從圖5中2條曲線的變化情況來看，隨著拌合時間增加，2種工藝下混合料的滲透系數都呈先上升、再下降的趨勢，但下降幅度都越來越大。經過140min拌合，傳統工藝拌合下混合料的滲透系數從0.05以上降至0.05以下，本文工藝拌合下混合料的滲透系數則從接近0.04降至0.03以下。這充分表明，經過本文工藝拌合處理，混合料的透水性顯著降低。

4 結論

砂石拌合系統規模大、復雜程度高，對其進行開發和建立必須根據依托水利水電工程項目的實際情況。本文針對水庫砂石拌合問題，設計了一種新的工藝流程。首先，從砂石拌合料總需求量、砂石拌合料的單位時間產出量和砂石拌合裝置的最大容量3個方面，建立了數學模型，并分析了相關參數。其次，對砂石粉碎過程和砂石拌合過程分別進行了工藝流程設計。試驗過程中，給出了砂石拌合裝置的結構配置，并從混合料強度和滲透系數2個方面進行了試驗驗證。結果顯示，本文的砂石拌合工藝明顯優于傳統拌合工藝。

參考文獻

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